傳感器技術應用之障礙物的識別

摘要：根據近年來電子設計競賽中常出現的智能化控制，如小車避障、循跡等需要識別障礙物或軌跡的設計制作，對其中使用較多的反射式光電開關、超聲波傳感器、接近開關等傳感器進行分析，以幫助或啟發設計愛好者的設計靈感。

關鍵詞：障礙識別；傳感器；設計

隨著電子技術的發展，智能化控制已逐漸在人們的生活中普及，比如各種智能家電、汽車的倒車雷達、能自動控制加熱時間和加熱溫度的微波爐，可以自動調節溫度、濕度的空調，等等。這些自動控制技術始終與傳感器技術結合在一起，傳感器就像人的感覺器官一樣，檢測到各種各樣環境信息，這些信息通過電路的識別和處理，然后去模擬人的思維和動作去控制某一種功能，就成為目前隨處可見的智能化電子產品。傳感器的種類較多，本文討論的僅是傳感器技術應用的一個小領域——障礙物的識別。

所謂障礙物的識別，實際上就是判別障礙物的位置、大小、距離等，這些環境信息的拾取就是安裝在小車上的“眼睛”，當“眼睛”看到這些障礙物的時候，能夠對小車障礙物進行識別和處理，因此，障礙物的檢測具有準確性、靈敏性、抗干擾性。本文擬根據近年來電子設計競賽中常出現的智能化控制，如小車避障、循跡等需要識別障礙物或軌跡的設計制作，對其中使用較多的反射式光電開關、超聲波傳感器、接近開關等傳感器進行分析，以幫助或啟發設計愛好者的設計靈感。

一、反射式光電開關

反射式光電開關是用來檢測小車“視線”范圍內的障礙物，它的“視線”范圍就是光電開關的檢測范圍。這種類型的傳感器有：漫反射式光電開關、鏡反射式光電開關、對射式光電開關、槽式光電開關、光纖式光電開關。漫反射式光電開關是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電開關發射器發射的足夠量的光線發射到接收器，于是光電開關就產生一個開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關是首選的檢測模式。鏡反射式光電開關也是集發射和接收于一體，光電開關發射器發射的光線經過發射鏡，發射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就產生了檢測開關信號。對射式光電開關包含在結構上相互分離且光軸相對放置的發射器和接收器，發射器發射的光直接進入接收器。當被檢測物體經過發射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生了開關信號。當被檢測物體是不透明時，對射式光電開關是最可靠的檢測模式。槽式光電開關通常是標準的u字形結構，其發射器和接收器分別位于u型槽的兩邊，并形成一光軸。當被檢測物體經過u型槽且阻斷光軸時，光電開關就產生了檢測到的開關量信號。槽式光電開關比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明和半透明的物體。光纖式光電開關采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導光線，以實現被測物體不在相近區域的檢測。本文只介紹漫反射式光電開關傳感器。

漫反射式光電開關E3F-DS10C4的接線圖如圖1所示。漫反射式光電開關E3F-DS10C4采用NPN三線輸出方式。三線分別為直流電源線、輸出端、地線，它的靈敏度可以調節，檢測距離比較遠，可以達到20cm。其工作原理是當前面有障礙物靠近時，接收端接收到足夠的反射光，則輸出端呈高電平；若是前面沒有物體，則沒有反射光，或反射光很弱，那么輸出端就呈低電平。光電開關的檢測不受外界干擾，可靠性高，使用方便。它的電源電壓范圍很大，如果電源為＋5v，那么它的輸出就可以直接為單片機所識別。

二、超聲波傳感器

眾所周知，聲波具有反射特性，在空氣中的傳播速度為340m/s，超聲波也是如此。但是超聲波指向性強、能量消耗緩慢，在空氣中傳播的距離較遠，利用超聲波測距往往比較迅速、方便、計算簡單、容易做到實時控制，因此，在移動物體(機器人、小車運動)的研制上得到廣泛的應用。

超聲波的測距原理為：如果在超聲波發射時開始計時，接收到反射波時停止計時，便可以根據計時間隔和超聲波的傳播速度計算出發射點到物體的距離。假如使用Vc表示超聲波的傳播速度，T表示發射至接收的時間間隔，S表示發射點到物體的距離，則S＝Vc×T/2。

現在常用的壓電式超聲波是利用壓電晶體的諧振原理工作的，諧振頻率一般為40kHz。發射電路的諧振頻率既可以由硬件電路實現，也可以由單片機產生。利用單片機輸出40kHz的方波更加容易、方便、易于控制。圖2是單片機控制超聲波測距的硬件示意圖，圖中利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接收往返時間的計時。

以下介紹一種以AT89C51單片機為核心的超聲波測距應用電路。

首先，其硬件電路圖如圖3所示。本系統采用AT89C51來實現對Polaroid 600系列傳感器和Polaroid 6500超聲波測距模塊的控制，單片機通過P1.0口經反相器來控制超聲波的發射，然后單片機判斷地檢測INTO引腳，當INTO引腳的電平由高電平變為低電平時認為超聲波已經返回。此時計數器所計的數據就是就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。

單片機AT89C51工作時，首先把P1.0口置0，啟動超聲波傳感器發射超聲波，同時啟動內部定時器TO開始計時，由于采用的超聲波傳感器是收發一體的，因而在發送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發送信號，必須在啟動發送信號后2.38ms才可以檢測返回信號，這樣就可以抑制輸出的干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停地掃描INTO引腳，如果INTO引腳接收的信號由高電平變為低電平，此時表明信號已經返回，微處理器進入中斷關閉定時器。通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。

三、接近開關

接近開關一般根據其檢測原理分為電感式接近開關、電容式接近開關和霍爾式接近開關。電感式接近開關是利用磁場的原理檢測金屬物體，電容式接近開關是利用電場的原理檢測金屬或非金屬物體，霍爾式接近開關是利用霍爾效應來探測磁場。

在各種小車類避障的設計中，障礙物一般都是金屬物體，因此，本文主要介紹電感式接近開關的使用例子。它的性能穩定，可靠性高，且價格便宜。圖5是電感式接近開關的工作原理框圖。

電感式接近開關的工作原理如下：電感式接近傳感器是一種利用渦流感知物體接近的接近開關，屬于一種有開關量輸出的位置傳感器。它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，利用金屬物體在接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭使物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化(振蕩減弱直至停振)，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷(振蕩與停振這兩種狀態經檢測電路轉換成開關信號輸出)。注意這種接近開關所能檢測的物體必須是金屬導電體。

以上是三種能夠檢測障礙物的傳感器，也是近年來在各種電子設計競賽中使用比較多的類型。當然，其應用于檢測障礙物的辦法較多，讀者可以進行進一步設計。

參考文獻：

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